CIF: Small: Learning, Optimization & Analysis for Biologically Inspired Community Networks
CIF:小型:学习、优化
基本信息
- 批准号:2311653
- 负责人:
- 金额:$ 60万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2023
- 资助国家:美国
- 起止时间:2023-10-01 至 2026-09-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Bacteria are single-celled organisms that constitute some of the earliest forms of life. Bacteria have an aggregate biomass that is larger than that of all animals and plants combined. Despite their simplicity, the operations and interactions of bacteria are not fully understood, yet microbial communities play a significant role in bioremediation, plant growth promotion, human and animal digestion, disease, the carbon-cycle and the cleaning of water. Thus, it is of significant interest to further understand microbial populations. This project uses methods from communications and signal processing to model, optimize and hopefully further understand the interactions within microbial populations. The particular focus is on the phenomenon of quorum sensing wherein bacteria express new genes, under the right environmental and population conditions, which facilitates collective behavior such as biofilm formation as well as virulent behavior such as infections. Thus, quorum sensing enables these simple unicellular organisms to achieve complex, collaborative tasks. The project will train graduate students in cross-disciplinary research and potentially impact applications and industries such as microbial fuel cells, bacterial infection suppression, commercial cellular systems, search-and-rescue, transportation systems, environmental monitoring, and homeland security. Modeling, learning and optimization strategies for biologically inspired problems will be considered. Several unique challenges will be directly addressed: (1) developing signaling and channel models that enable optimization and control, while capturing key operational behavior of the bacteria; (2) designing meaningful cost functions that are relevant to the microbial application; and (3) designing models addressing the inherent coupling between individual bacteria as well as coupling between the bacteria and their environment. The project views quorum sensing as a critical element of a multi-agent, distributed decision-making system that is the bacterial community. A key challenge is to bring everything together: the incorporation of biological constraints, the coupling between microbes, the challenge of determining the proper objective function that captures biological fitness or other microbial objectives in the context of temporal and spatial evolution of microbial colonies. The following tools will be leveraged: decentralized detection/decision making, sequential decision making, active localization, active sampling, stochastic geometry, causal graph identification, directed information, two-way communication, multi-hopped communication, and packet scheduling methodologies. While the proposed work does not have a significant experimental content, previously collected experimental data in the context of existing collaborations will be leveraged to drive the proposed research. The project aims to close the loop by not only using communication, signal processing and information theory to model and design microbial systems, but to use the outcomes of this biologically inspired research to design engineered systems.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
细菌是单细胞生物体,构成了一些最早的生命形式。 细菌的总生物量大于所有动物和植物的总和。 尽管它们很简单,但细菌的运作和相互作用尚未完全了解,但微生物群落在生物修复,植物生长促进,人类和动物消化,疾病,碳循环和水的清洁方面发挥着重要作用。 因此,进一步了解微生物种群具有重要意义。 该项目使用通信和信号处理的方法来建模,优化并希望进一步了解微生物种群内的相互作用。 特别关注的是群体感应现象,其中细菌在正确的环境和种群条件下表达新的基因,这有利于集体行为,如生物膜形成以及毒性行为,如感染。 因此,群体感应使这些简单的单细胞生物能够完成复杂的协作任务。 该项目将培养跨学科研究和潜在影响应用和行业的研究生,如微生物燃料电池,细菌感染抑制,商业蜂窝系统,搜索和救援,运输系统,环境监测和国土安全。生物启发问题的建模,学习和优化策略将被考虑。 将直接解决几个独特的挑战:(1)开发信号和通道模型,使优化和控制,同时捕捉细菌的关键操作行为;(2)设计有意义的成本函数,与微生物应用相关;和(3)设计模型,解决单个细菌之间的固有耦合以及细菌与其环境之间的耦合。 该项目将群体感应视为多代理分布式决策系统(即细菌群落)的关键要素。 一个关键的挑战是把所有的东西放在一起:生物约束的结合,微生物之间的耦合,确定适当的目标函数的挑战,在微生物菌落的时间和空间进化的背景下捕获生物适应性或其他微生物目标。 将利用以下工具:分散式检测/决策,顺序决策,主动定位,主动采样,随机几何,因果图识别,有向信息,双向通信,多跳通信和分组调度方法。虽然拟议的工作没有重要的实验内容,但在现有合作的背景下,以前收集的实验数据将被用来推动拟议的研究。该项目旨在通过不仅使用通信,信号处理和信息理论来建模和设计微生物系统,而且使用这种生物启发研究的结果来设计工程系统来闭合循环。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估而被认为值得支持。
项目成果
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专著数量(0)
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会议论文数量(0)
专利数量(0)
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